一、輕量化起源和背景

這是世界上第一則汽車廣告，廣告詞說該車保養容易，開1英里只需要0.5美分，又輕又結實。今天我們做車也一樣，首先要便宜，這樣才會有人買單，第二，整備質量輕，第三，加速性能好。為了降低油耗或者電能消耗, 不論是傳統燃油車還是新能源汽車, 整車的輕量化設計目前是一個勢在必行的趨勢。

當前汽車市場銷量下滑、競爭激烈，在增加整車成本的基礎上輕量化已經不是多數車企的可選科目了，尤其是新能源汽車，雖然電動機代替了內燃機、減速器代替了變速箱，重量有所下降，但是也增加了電池包以及高壓線束、逆變器、功率分配器、車載充電器等較重的子系統，導致新能源汽車的輕量化壓力劇增！

各個國家、地方政府、州政府、交通部都有一系列關于排放量的法規。根據北美法規要求的減重目標規劃，從2015年到2019年，某車型整備重量要從1853公斤降到1664公斤，整整減少200公斤。隨著燃油消耗量限制法規、汽車排放法規的要求日益提高，汽車輕量化技術是未來汽車設計的核心技術。

其實這些年我們可以看到，車的重量是略微上升的，因為我們對配置和安全性能的要求提高了。2018年新的碰撞法規提出了更高的要求，在滿足功能的前提下，還要減重。

鋁板有一個最大的特點，鋁的疲勞壽命是特別差的。對客戶來說，車要天天開，疲勞標準是要優于安全標準的。但是對于主機廠來說安全性能是要大于疲勞標準的。奧迪A8最新的車型，從原來98%的鋁合金，降低到現在58%的鋁合金，剩下全都是用鋼。僅僅是因為鋁合金貴嗎？其實很大一部分原因，不是材料的問題，而是工程制造的問題。

現在行業內主流的車身技術路線有這么幾種：

第一，傳統全鋼車身，仍舊是目前采用最廣泛的技術。

第二，鋁合金車身，比如蔚來ES8。

第三，鋼鋁混合車身，就是現在很多新車說的“下鋼上鋁”。

第四，碳纖維車身，如寶馬i3。

每一種車身都有優點也有缺點。輕量化的目的，是在不影響功能性、安全性、耐久性的情況下，盡可能做得越輕越好。隨著我們國家的發展，未來對車的加速性要求會越來越大。

輕量化設計的核心

第一，結構變化。打個比方，可口可樂的瓶子，軟的跟紙似的，但是它做到了極致，放桌上很穩，擰蓋子的時候能打開，因為在頭部和尾部加了很多筋，這個就是結構設計。

第二，連接技術。很多人說，鋁合金很簡單，我也會做，但是鋁合金工程化很差，只要不是自動化線，因為工人不同的操作，導致一致性很差。

第三，CAE仿真技術。金屬是規律排布，我們可以預測它的破壞、失效模式。但復合材料比較復雜，汽車行業對復合材料的掌握還沒有金屬材料那么成熟，CAE的仿真計算發展得非常快。

第四，材料發展。我們的材料發生了翻天覆地的變化，10到15年間有了很大的發展。

輕量化的目的就是性能要最大化，重量越小越好，成本越便宜越好，這個時候客戶的價值才能最大化。輕量化的途徑一定是更好的材料、更好的結構、更好的工藝。

材料、結構、工藝互相聯系。我們國家的高鐵是擠壓型材，而且是非常大的擠壓型材，用的什么工藝呢？每節車廂其實是一個件，地板從頭到尾是一塊料，窗戶也是同一塊，稍微折一下把車送過去，中間地板一焊，所以材料出來了，選擇結構和工藝，都是相輔相成的過程。

每家公司都有自己的戰略目標和總體定位，比方說比亞迪就認為它做輕量化主要的目標是鋼、鋁，還有一點點鎂、塑料，碳纖維不是他考慮的重點。又比如寶馬，他們都做了很多投入，未來他會用大量的，他可能會用到碳纖維、鎂合金、鋁合金，同時會把鋼的比重降低。再來看特斯拉，特斯拉用鋼量非常少，未來他會把碳纖維和鎂合金大大增加。

從整個做車來說，我們知道第一是安全。但安全性是會增重的，比方說改變耐久性，滿足美標的NVH碰撞法規，滿足C-NCAP碰撞法規，還有NVH模態、剛度、風阻各方面，都會增加重量。再就是功能，比方說全方位360度骨架、自巡航，都會增加重量。因此我們要把它減掉，第一個方式就是材料，材料完了以后才是結構優化，優化是什么呢？比如傳遞路徑、截面。安全性、NVH、功能這三個方面的增重，我們目前希望通過材料、結構優化、工藝制造降下來。

1.  輕量化在整車開發中的三個階段

輕量化在不同的開發階段有不同的開發手段，根據整車開發的特點，主要有如下三個階段：

概念設計階段。要把市場語言轉化為工廠語言。概念階段會把技術路線確定了，因此這個階段決定了項目難易程度和成功概率。

方案設計階段。一旦定了技術路線就進入方案設計了，需要測算技術路線的可實施性。通過方案設計可以預計銷量的多少，銷量少的話這個時候就要找替代路線，重新制定切實的方案。

詳細設計階段。不僅需要考慮材料斷面的形狀，而且壁厚的類型是什么等等一系列的細節，對我們來說都需要經過緊密詳細的設計。

2.  輕量化設計手段

材料：概念設計結束后我們就開始選擇材料，材料選擇涉及到車身、內飾、外飾、底盤、三電等。

結構：

1）車身骨架輕量化

車身骨架最好是一個閉合的截面，形成封閉式，也就是所謂的“環狀”路徑。車的結構分為兩大類：承載式車身和非承載式車身。承載式車身就是每個件承擔一定的載荷，非承載式車身主要靠車架承擔。

2）車身斷面輕量化

第一，優化零件斷面結構，增加斷面剛度與強度。不同的鋁合金，自然失效、人工失效，得到的效果和性能是不一樣的。

第二，改變零件承力力矩，縮小關鍵部位變形。

第三，增加吸能結構，改變材料強度搭配，是潰縮區域遠離乘員，保護乘員安全。

3）零件搭接結構優化

零件的連接越來越重要，越是新的材料，對于連接的要求越高。所以零件的結構優化，

第一，增加傳力結構搭接面接觸面積，減小應力集中的現象。

第二，縮小搭接邊，配合先進連接工藝，實現減重。

工藝制造：先進的材料、優化的結構需要相應的制造工藝。比如現在新能源車有很多鋁合金型材的，前機艙沒有電機了，電池跑到后面去，電機里有一樣東西是要存在的，加制動液的時候需要人機這一塊，包括擠壓、輾壓、鑄造、冷沖壓、液壓、熱成型等工藝，還有一些改善性能的工藝設計，比如輥壓實際上是一個提升性能的工藝，輥壓充分利用加工硬化材料的原理，用工藝來改變它。

3.  輕量化優化手段

材料優化：從材料角度上來說有幾個，材料模型、彈性。我們的工程師、產品設計工程師都需要熟悉。如果要做拉桿，要算剛度、強度。怎么做這些事，用哪些指標評價，怎么來選擇材料，從這個角度上需要了解基礎的數據。沖擊載荷這些的計算很簡單，把基本的材料參數輸進去，計算出來，做一個對比，就可以知道哪種材料是最優化的，再把工程制造性加進去，選材就完成了。

結構優化：結構優化的設計方法包括：尺寸優化、形狀優化，拓補優化、形貌優化。鋁合金型材的優點在哪兒呢？它可以把結構做的非常復雜，而做這個很重要一點，接頭。我們車也一樣，一定會滿足幾個性能，我們通常講的，彎曲剛度，車過坑的時候會扭轉，所以它的彎曲剛度，剛度是抵抗變形的能力，所有這些東西取決于我們的接頭，接頭很重要。

工藝優化：熱成型工藝原理非常簡單，就是把鋼板加熱到一定溫度，快速的脹火即快速冷卻，快速冷卻以后就會形成了非常細小的片狀馬氏體，然后再處理出來，還有高壓鑄造。

接頭優化：所有的機械式的連接有一個優點，并不是它的強度有多么高，而是它的一致性比較好。

現今最熱門的新能源汽車的輕量化勢在必行，怎樣做到減輕重量的同時，又降低成本。新能源汽車如果要增加10%的續航里程，就有幾種辦法。第一，放更多的電池，所以比亞迪的車離地間隙都非常低，因為他要保證全系車型續航里程500公里以上，怎么辦呢？只能增加電池，一個不行放兩個，兩個不行放三個。但是增加電池就意味著成本增加。第二，減重。第三，改變風阻系數。第四，改變滾阻，這個代價是非常高的，意味著所有的連接件都要改變。

對于水氫機來說，可以輕松實現減重，而且是在不降低續航里程的基礎上。那么它是如何做到的呢？

水氫機是采用汽化催化重整及純化多項技術從醇水中獲得高純氫，通過質子膜系統產生電、熱等多種能源的裝置。

化學公式如下，制氫：CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 發電：2H2 + O2 → 2H2O + 電

水氫機的原料甲醇的優勢非常明顯，常溫常壓下是液體，能量密度高。若基于水氫機357轉換效率(3公斤甲醇制備5立方米氫氣發7度電），那么，一公斤甲醇相當于15.5公斤鋰電池的能量密度（鋰電池200W/kg），如水氫機的轉換效率達到369(3公斤甲醇制備6立方米氫氣發9度電），那么一公斤甲醇相當于20公斤鋰電池的能量密度。因此，水氫機對于整車的輕量化具有重大意義。

文章來源：未來出行學院 未來出行學院  作者 熊飛

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